DE19959539A1

DE19959539A1 - Bildaufnehmer

Info

Publication number: DE19959539A1
Application number: DE19959539A
Authority: DE
Inventors: Rainer Schweer
Original assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Priority date: 1999-12-09
Filing date: 1999-12-09
Publication date: 2001-06-13
Also published as: JP2001203936A; EP1107581A2; EP1107581A3; CN1300161A; CN1163059C

Abstract

Seit neuerem werden sogenannte CMOS-Bildsensoren als Bildaufnehmer zunehmend in Unterhaltungselektronikgeräten eingesetzt. Diese Bildsensoren bieten den Vorteil, daß sie besonders hoch integriert werden können und daß mit ihnen auf einem Chip auch andere Komponenten integriert werden können. Bekannt geworden ist z. B. die Mitintegration eines auf einer Bildpunktebene arbeitenden A/D-Wandlers. Die Erfindung stellt eine alternative Ausführungsform eines solchen Bildaufnehmers mit mitintegriertem A/D-Wandler zur Verfügung. Gemäß der Erfindung wird pro lichtempfindlichem Element (11) ein Komparator (113) mitintegriert, dem an seinem einen Eingang der Analogwert des Lichtsensors (111) zugeführt ist und an seinem anderen Eingang ein Rampensignal zugeführt wird. Der Ausgang des Komparators (113) ist an einen Triggereingang eines N-Bit-breiten Registers (14) geführt. Der Ausgangsimpuls des Komparators veranlaßt das Register (14) zur Zwischenspeicherung des Momentanwertes des Rampensignals in digitaler Form. Das Rampensignal ist so erzeugt, daß es in feinen Schritten inkrementiert wird bis zu einem Maximalwert entsprechend der gewünschten Bitauflösung für die A/D-Umwandlung. Der zwischengespeicherte Momentanwert des Rampensignals entspricht dann dem umgesetzten Analogwert des Lichtsensors (111). Diese Lösung bietet den Vorteil, daß für die Erzeugung des Rampensignals nur ein Takt mit niedriger Taktfrequenz benötigt wird. Weiterhin kann die Lösung einfach auf einem Chip ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Bildaufnehmer, der z. B. in Videokameras, Digitalkameras, etc. eingesetzt werden kann. Mit Digitalkameras sind hier Geräte der digitalen Photographie gemeint.

Bildaufnehmer bestehend aus einem Halbleiter-Bildsensor sind aus dem Stand der Technik schon seit längerem bekannt. Die ersten Halbleiter-Bildsensoren betrafen sogenannte CCD- Arrays (Charge Coupled Device), die nach dem sogenannten Eimerkettenprinzip arbeiten. CCD-Arrays werden zwar auch auf Silicium-Wafern hergestellt, erfordern aber eine spezielle Technologie, die es erschwert andere Komponenten auf dem gleichen Chip zu integrieren. Deshalb wird bei diesen Bildaufnehmern die Umsetzung der von den lichtempfindlichen Elementen gesammelten Ladung in einen digitalen Wert außerhalb des Arrays vorgenommen, mit einem schnellen A/D- Wandler.

Seit Neuem werden auch in Unterhaltungselektronikgeräten sogenannte CMOS-Bildsensoren eingesetzt. Mit ihnen sind einige bedeutende Vorteile verbunden. Die CMOS-Chip Technologie ist weit verbreitet. Das ermöglicht es CMOS- Bildsensoren auf den gleichen Produktionsstrecken herzustellen, wie beispielsweise auch CMOS-Speicherbausteine oder CPUs. Nur geringe Umstellung der Produktionsstrecken sind erforderlich. Außerdem bieten die CMOS-Bildsensoren die Möglichkeit, daß sie mit anderen Schalteinheiten auf einem Chip integriert werden können. Bereits realisiert ist z. B. die Integration des A/D-Wandlers mit dem CMOS-Bildsensor auf einem Chip. Angedacht sind aber auch die Integration von Bildoptimierungskomponenten sowie Einheiten zur Bildkompression.

Einen Überblick über den Stand der Technik bei CMOS- Bildsensoren findet sich in dem Artikel "A Nyquist-Rate Pixel-Level ADC for CMOS Image Sensors" in IEEE journal of Solid-State Circuits, Volume 34, No. 3, März 1999, Seiten 348-356. In diesem Dokument wird ein CMOS-Bildsensor beschrieben, der pro Bildpunkt ebenfalls einen A/D-Wandler mitintegriert enthält. Der prinzipielle Aufbau für jedes Bildpunktelement ist dabei so, daß die von dem lichtempfindlichen Element gespeicherte Ladung auf einen Eingang eines Komparators gelegt wird. An den anderen Eingang des Komparators wird ein Rampensignal geführt. Das Rampensignal entspricht einem Treppensignal, steigt also stetig an in einer Anzahl von Inkrementen. Dem Komparator nachgeschaltet ist ein D-Flip-Flop. An den D-Eingang des Flip-Flops ist ein von dem Rampensignal abgeleitetes Taktsignal gelegt. Der Ausgang des Komparators ist mit dem Trigger-Eingang G des Flip-Flops verbunden. Das vom Rampensignal abgeleitete Taktsignal ändert jeweils seinen logischen Zustand, wenn ein Inkrement zum Rampensignal hinzugefügt wird. Der Q-Ausgang des Flip-Flops stellt den Digital-Ausgang der Anordnung dar. Mit dieser Anordnung wird der am Komparator anstehende Analogwert bitseriell in einen digitalen Wert umgewandelt. Bei dieser Lösung muß pro umzuwandelndes Bit das Rampensignal neu gestartet werden. Will man z. B. eine Umwandlung des gespeicherten Analogwert mit m-bit Auflösung erreichen, so sind wenigstens 2^m-1 Durchläufe erforderlich.

Das ist ein beträchtlicher Aufwand und ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung den Aufwand für mit CMOS-Bildsensoren mitintegrierten A/D-Wandlern zu verringern.

Erfindung

Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Bildaufnehmer sind ebenfalls Mittel zur Umsetzung des in einem lichtempfindlichen Element gespeicherten Analogwertes in einen Digitalwert mitintegriert, wobei diese Mittel verteilt sein können, einmal auf die Sensormatrix selber und zum anderen auf die Peripherie der Sensormatrix. Und zwar ist pro lichtempfindlichem Element ein Komparator vorgesehen, dem an einem Eingang der Analogwert zugeführt ist und an dem anderen Eingang ein Rampensignal. Im Unterschied zu der bekannten Lösung ist der Ausgang des Komparators an einen Triggereingang eines N-Bit-breiten Registers geführt, wobei N eine natürliche Zahl ≧ 2 ist. Die Zahl N entspricht der Anzahl der Bits des zu erzeugenden Digitalwertes. Der Ausgangsimpuls des Komparators veranlaßt das Register zur Zwischenspeicherung des Momentanwertes des Rampensignals in digitaler Form. Bei dieser Lösung ist das Rampensignal daher so gebildet, daß es direkt den umzuwandelnden Digitalwert wiederspiegelt. Die Lösung bietet den Vorteil, daß das Rampensignal pro Umsetzung nur einmal erzeugt werden muß, unabhängig von der gewünschten Bit-Auflösung. Ein zusätzliches Flip-Flop braucht nicht pro Bildpunkt in dem Bildaufnehmer vorgesehen sein.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind weitere Vorteile und Verbesserungen möglich. Bei einer matrixförmigen Anordnung der lichtempfindlichen Elemente kann eine zeilen- oder spaltenweise Addressierung erfolgen, derart, daß die Umsetzung der Analogwerte zeilenweise oder spaltenweise erfolgt, wobei dann nur soviele N-Bit-breite-Register parallel angeordnet werden müssen, wie lichtempfindliche Elemente in einer Zeile oder Spalte vorgesehen sind. Dadurch ist der Integrationsaufwand reduziert und es müssen nur relativ wenige N-bit-Register vorgesehen werden.

Im Zusammenhang mit der zeilenweisen- oder spaltenweisen Realisierung bzw. Umsetzung ist es vorteilhaft, wenn das Rampensignal zyklisch neu gestartet wird, jeweils für die Umsetzung der Analogwerte einer Zeile oder Spalte.

Das Rampensignal soll so aufgebaut werden, daß es zu jedem Zeitpunkt den Digitalwert widerspiegelt. Dies ist einfach realisierbar. Dazu muß lediglich der ganze Analogmeßwertbereich von dem Rampensignal erfaßt werden und die Anzahl der Inkremente muß zu der gewünschten Bitauflösung korrespondieren. Soll z. B. eine 8-bit-Auflösung erreicht werden, so muß das Rampensignal von 0-255 inkrementiert werden und bei dem maximal möglichen Wert 255 das Maximum des Analogmeßwertbereichs erreicht sein.

Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, wenn die Inkremente des Rampensignals variabel sind, insbesondere in einem ersten Bereich kleiner als in einem zweiten Bereich. Das Umsetzverhalten kann so an das Verhalten des menschlichen Auges angepaßt werden. Das menschliche Auge spricht nämlich weniger empfindlich auf Helligkeitsänderungen an, wenn eine gewisse Grundhelligkeit überschritten ist. Im unteren Helligkeitsbereich wäre so eine feinere Auflösung erreicht.

Weiterhin vorteilhaft ist, wenn noch ein Schieberegister vorgesehen ist, in das die Einträge der parallel angeordneten N-Bit-breiten Register nach Beendigung eines Rampensignalzyklusses kopiert werden. Das schnelle Umkopieren der Registerinhalte in ein Schieberegister schafft wieder Freiraum in den Registern für die Umsetzung der Analogwerte der nächsten Zeile oder Spalte. Die in das Schieberegister übernommenen Werte können dann der Reihe nach ausgelesen werden und in einen konventionellen Ram- Speicher oder auch einen speziellen Bildspeicher eingeschrieben werden. Dies kann dann innerhalb des nächsten Rampensignalzyklusses erfolgen und parallel mit der Umsetzung der nächsten Zeile oder Spalte vonstatten gehen.

Das Rampensignal wird vorteilhafterweise in einem Zähler mit nachgeschaltetem D/A-Wandler erzeugt. Für diese Lösung ist es dann von Vorteil, wenn der jeweilige Zählerstand des Zählers an die Eingänge der für die A/D-Umsetzung erforderlichen Register geführt ist. Das Ausgangssignal des Komparators erzeugt den Schreibimpuls für ein Register und das Register übernimmt so den an den Eingängen anstehenden aktuellen Zählerstand.

Für den Fall daß der Bildaufnehmer für die Erzeugung von Videobildern verwendet werden soll, so ist es vorteilhaft, daß die Umsetzung der Analogwerte zeilenweise erfolgt und der Zyklus des Rampensignals zu der Dauer einer Videozeile korrespondiert.

Der erfindungsgemäße Bildaufnehmer wird vorteilhafterweise in CMOS-Chip-Technologie hergestellt.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein prinzipielles Blockschaltbild einer Digitalkamera;

Fig. 2 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Bildaufnehmers;

Fig. 3 die pro Bildpunkt vorzusehenden Komponenten des erfindungsgemäßen Bildaufnehmers;

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Rampensignalerzeugungsvorrichtung und

Fig. 5 das Rampensignal und die zugehörigen Taktsignale.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird am Beispiel einer Digitalkamera erläutert. Mit solchen Geräten werden Standbilder (Fotos) direkt in digitaler Form aufgenommen. Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines solchen Gerätes. Die optischen Komponenten der Digitalkamera sind in Fig. 1 weggelassen worden. Dazu gehören insbesondere Objektiv, Blende, Verschluß sowie auch sämtliche zugehörigen elektronischen Hilfsmittel, wie z. B. Autofokussystem, Zeit- und Blendenautomatik, Blitzlichterzeugung, usw. Auch ein vorhandenes Computerinterface wurde nicht dargestellt. Mit der Bezugszahl 10 ist ein CMOS-Bildaufnehmer bezeichnet. Dessen Aufbau wird nachfolgend noch genau erläutert. Der CMOS-Bildaufnehmer 10 ist über ein Daten-, Adreß- und Steuerbus 40 mit einem Mikroprozessor 20 verbunden. An dem Daten-, Adreß- und Steuerbus 40 ist auch ein Ram-Speicher 30 angeschlossen. Die aufgenommenen Bilder werden in diesem Ram-Speicher abgelegt und können von dort über das schon erwähnte Computerinterface auf einen Personal Computer übertragen werden oder auch auf einen Drucker übertragen werden, mit dem die Bilder ausgedruckt werden können. Den Abtransport der Daten des CMOS-Bildaufnehmers 10 zum Ram- Speicher 30 steuert der Mikroprozessor 20. Dieser kann auch gleichzeitig bei entsprechender Auslegung weitere Steuerungsaufgaben innerhalb der Digitalkamera übernehmen. Als Beispiel wird die schon erwähnte Zeit- und Blendenautomatik, sowie das Autofocussystem und die Blitzlichtsteuerung sowie insgesamt die Bearbeitung der über vorhandene Tasten eingegebene Benutzerbefehle erwähnt.

Nachfolgend wird der Aufbau des CMOS-Bildaufnehmers 10 anhand der Fig. 2 erläutert. Der Bildaufnehmer 10 besteht aus einer Matrix von lichtempfindlichen Cemos-Lichtsensoren 11. Diese CMOS-Lichtsensoren 11 sind in der Fig. 2 jeweils als separater Block dargestellt. Dies soll andeuten, daß nicht nur der CMOS-Lichtsensor allein in dem jeweilligen Block angeordnet ist, sondern auch noch weitere Komponenten, die für die A/D-Wandlung wichtig sind, was nachfolgend noch näher erläutert wird. Jedes lichtempfindliche Element detektiert das Licht für einen einzelnen Bildpunkt des aufzunehmenden Bildes. Es ist daher erwünscht möglichst viele CMOS-Lichtsensoren in der Matrix anzuordnen. CMOS- Bildaufnehmer mit mehr als einer Million Lichtsensoren sind bereits heute hergestellt worden.

Wenn Farbbilder aufgenommen werden sollen, ist es erforderlich, die 3 Grundfarben RGB jeweils separat aufzunehmen. Dies kann beispielsweise so geschehen, daß 3 verschiedene CMOS-Bildsensoren 10 in der Kamera angeordnet sind, denen jeweils das farbgefilterte Licht zugeführt ist. Am Aufbauprinzip der CMOS-Bildsensoren 10 ändert sich bei den 3 verschiedenen Bildaufnehmern aber nichts.

Zum Auslesen der nach Belichtung des Bildaufnehmers in den Lichtsensoren 11 gespeicherten Ladungsmenge ist in Fig. 2 ein Zeilenselektor 12 vorgesehen. Damit werden die Bildzeilen einzeln ausgewählt. Eine entsprechende Steuerleitung pro Bildzeile ist in Fig. 2 zu jedem Lichtsensor 11 einer Bildzeile geführt. Diese Steuerleitungen sind mit der Bezugszahl 17 bezeichnet. Innerhalb jeder lichtempfindlichen Zelle 11 dient das Zeilenauswahlsignal zur Freischaltung der jeweiligen Ausgangsleitung 18. Die Anordnung ist in dem Beispiel von Fig. 2 so gewählt, daß die Ausgangsleitungen der Lichtsensoren 11 einer Spalte alle zusammengeschaltet sind und über eine einzige Ausgangsleitung aus der Aufnahmematrix herausgeführt sind. Das Zeilenauswahlsignal legt fest, welche der Lichtsensoren 11 einer Spalte an die gemeinsame Ausgangsleitung 18 angeschlossen wird. So ist sichergestellt, daß die Lichtsensoren 11 einer Bildzeile alle einzeln ausgewertet werden können. Dazu ist am Ausgang der Lichtsensoren-Matrix ein Registerblock 15 vorgesehen. In diesem Registerblock 15 sind soviele Register 14 parallel angeordnet, wie Lichtsensoren 11 in einer Bildzeile vorhanden sind. Die Ausgangsleitungen 18 sind jeweils auf einen Steuereingang des zugehörigen Registers 14 geführt. Zwischen Register und Ausgangsleitung 18 kann jeweils noch eine Verstärkerstufe vorgesehen sein zur Signalaufbereitung. Der Registerblock 15 wird außerdem noch mit 2 Taktsignalen, von denen eines als Rücksetzsignal R bezeichnet ist, versorgt. Eine Besonderheit besteht noch darin, daß die Dateneingänge der Register 14 mit Datenausgängen einer Rampensignal - Erzeugungseinheit 13 verbunden sind. Das heißt, daß sämtliche Register 14 die gleichen Dateneingangswerte erhalten. Darauf wird nachfolgend noch näher eingegangen.

Die Rampensignalerzeugungseinrichtung 13 besitzt separate Ausgänge für jede Bildzeile. Ein Rampensignal wird jeweils nur für die ausgewählte Bildzeile erzeugt. Für die Rampensignalerzeugung ist dieser Einrichtung ein Taktsignal und ein Rücksetzsignal zugeführt. Die Rampensignalausgangsleitungen sind mit der Bezugszahl 19 bezeichnet.

Neben dem Registerblock 15 ist noch ein Schieberegister 16 angeordnet. Dieses dient zur Übernahme der Einträge in den einzelnen Registern 14. Somit sind die Datenausgänge jedes Registers 14 mit den entsprechenden Paralleleingängen des Schieberegisters 16 verbunden. Die Übernahme der Registerwerte geschieht am Ende eines Rampensignalzyklusses was später noch genauer erläutert wird. Sind die Daten in das Schieberegister 16 übernommen, können diese über den Busanschluß 40 in den Ram-Speicherblock 30 transferiert werden. Dies geschieht dann durch entsprechend viele Schiebeoperationen, wie Datenworte im Schieberegister 16 gespeichert sind. Vorzugsweise ist das Schieberegister 16 als Barrel-Shifter ausgelegt, bei dem innerhalb eines Taktzyklusses eine Verschiebung um mehr als einem Bit geschieht. Da immer die Registerworte einzeln ausgelesen werden sollen, sollte die Verschiebung pro Taktzyklus um soviele Bits erfolgen, wie das Registerwort breit ist. Bei einer Registerbreite von 8 Bit, also jeweils eine Verschiebung von 8 Bit pro Taktzyklus.

Für die Erläuterung der Funktionsweise des beschriebenen CMOS-Bildaufnehmers 10 ist es von Vorteil, wenn der Aufbau eines Lichtsensors 11 und der Aufbau der Rampensignalerzeugungseinheit 10 zuvor erläutert wird.

In der Fig. 3 ist der Aufbau jeder lichtempfindlichen Zelle 11 dargestellt. Das lichtempfindliche Element ist mit der Bezugszahl 111 bezeichnet. In diesem Fall ist als lichtempfindliches Element eine Fotodiode gewählt. Der Fotodiode nachgeschaltet ist ein Verstärkungstransistor 112. Dieser verstärkt die von der Fotodiode erzeugte und in einer nicht dargestellten Kapazität gespeicherte Ladung. Das so verstärkte Signal wird an einen Eingang eines Komporators 113 geführt. Der Komporator 113 ist z. B. als Schnitt-Trigger ausgebildet damit ein sehr schnelles Schalten gewährleistet ist. An dem weiteren Eingang des Komparators 113 ist das Rampensignal gelegt. Zwischen Ausgang des Komparators 113 und Ausgang der lichtempfindlichen Zelle 11 ist noch ein Schalter 114 vorgesehen, der beispielhaft als Tristate- Treiber ausgeführt sein kann. Der Schalter 114 wird über die Zeilenauswahlsteuerleitung 17 angesteuert.

Das Rampensignal ist beispielhaft in Fig. 5 dargestellt. Bei dem dort gezeigtem Beispiel handelt es sich um ein Rampensignal, das in 16 Schritten inkrementiert wird. Das Taktsignal, das die Inkrementierung steuert, ist direkt unterhalb des Rampensignals dargestellt. Jeweils nach dem 16. Inkrementierungsschritt wird das Rampensignal auf Null zurückgesetzt, was durch ein Rücksetzsignal R gesteuert wird. Das Rücksetzsignal kann von dem Taktsignal abgeleitet sein.

Das Rampensignal wird am einfachsten mit Hilfe eines Zählers und eines nachgeschalteten D/A-Wandlers erzeugt. Dies ist in Fig. 4 dargestellt. Die Bezugszahl 131 bezeichnet den Zähler. Der jeweils aktuelle Zählerstand ist an einen D/A- Wandler 132 angelegt. Dieser wandelt den Zählerstand in ein entsprechendes Analogsignal um. Das Analogsignal geht dann an eine Demultiplex-Einrichtung 133. Dort wird es auf einen der Ausgänge 19 geleitet. Der Demultiplexer 133 erhält als Takteingang den Rücksetzimpuls, wodurch das Rampensignal an den Ausgang 19 für die nächste Bildzeile angelegt wird. Wichtig ist noch, daß der aktuelle Zählerstand ebenfalls auch aus der Rampensignalerzeugungseinrichtung 13 herausgeführt ist. Wie zuvor erläutert, wird der Zählerstand an die Dateneingänge der Register 14 in dem Registerblock 15 des CMOS-Bildaufnehmers 10 gelegt.

Die Funktionsweise des Bildaufnehmers ist jetzt wie folgt:

Nach Belichtung werden die lichtempfindlichen Zellen 11 zeilenweise A/D-gewandelt und ausgelesen. An alle Zellen einer selektierten Bildzeile ist das Rampensignal synchron mit dem Rücksetzimpuls angelegt. Das Rampensignal beginnt bei dem Wert 0 und wird dann in 16 Schritten bis zum Wert 16 erhöht. Während dieses Zyklusses vergleicht der Komporator 113 die beiden Eingänge miteinander. Eine Signalflanke wird erzeugt und über den Ausgang 18 zu dem Steuereingang des betreffenden Registers 14 geleitet, wenn das Rampensignal den am anderen Eingang anstehenden Analogwert überschreitet. Dies veranlaßt das Register 14 zur sofortigen Zwischenspeicherung des aktuellen Zählerstandes von dem Zähler 131. In Fig. 5 ist durch gestrichelte Linie ein Beispiel eines anstehenden Analogwertes angedeutet. Dieser Wert wird erst nach dem 11. Inkrementierungsschritt überschritten. Es wird also in dem zugehörigem Register 14 als aktueller Zählerstand der Wert 11 abgelegt. Bei dieser Methode besteht ein Problem darin, daß der Zählerstand 0 nicht erfaßt wird. Das liegt daran, weil der Analogwert erst nach dem ersten Inkrement überschritten werden kann, wonach der Zählerstand aber schon den Wert 1 aufweist. Bei der hier gezeigten Lösung wird deshalb statt eines an sich lediglich erforderlichen 4-Bit-Zählers für die Werte 0-15 ein 5-Bit- Zähler verwendet, der aber nur von 0-16 gezählt wird und dann durch den Rücksetzimpuls auf Null zurückgesetzt wird. Vereinbart wird dann, daß wenn der Zählerstand 1 in einem Register zwischengespeichert wurde, diesem Wert anschließend der Wert Null zugeordnet wird und beispielsweise, wenn der Wert 16 zwischengespeichert wurde, diesem Wert der Wert 15 zugeordnet wird. Dies kann einfach dadurch geschehen, daß der Mikroprozessor 20 jeden aus dem Schieberegister 16 ausgelesenen Wert um 1 verringert und dann in dieser Form in den Ram-Speicher 30 ablegt. Natürlich sind auch andere Lösungen für dieses Problem anwendbar.

Für die digitale Photographie ist eine 4-Bit-Auflösung bei der A/D-Wandlung nicht ausreichend. Hier kommen eher Auflösungen in der Größenordnung von 10 Bit in Frage. Das bedeutet, daß die Register 14 mindestens eine Breite von 10 Bit aufweisen müssen und der Zähler 131 mindestens als 10- Bit-Zähler ausgelegt sein muß. Das Rampensignal würde dann mindestens von 0-1023 inkrementiert. Wird die gleiche Lösung verwendet, wie zuvor beschrieben, würde das Rampensignal von 0-1024 gezählt und ein 11-Bit-Zähler verwendet sowie 11-Bit breite Register 14. Auch das Schieberegister 16 muß dementsprechend angepaßt sein.

Das Taktsignal für die Rampensignalerzeugung muß bei der Anwendung einer Digitalkamera nicht besonders hoch sein, da nicht unbedingt mehrere Bilder pro Sekunde aufzunehmen sind. Hier sehen die Anforderungen für den Fall, daß der erfindungsgemäße Bildaufnehmer auch in einer Videokamera eingesetzt werden soll anders aus. Für diese Anwendung reicht allerdings eine A/D-Umwandlung mit 8-Bit-Auflösung aus. Werden die lichtempfindlichen Zellen ebenfalls zeilenweise ausgelesen, so besteht folgende Anforderung für das Taktsignal. Bei 8-Bit-Auflösung und einer Videozeilenlänge von 64 µs ergibt sich eine Taktfrequenz von 256 × 1/64 µs, was zu einer Taktfrequenz von 4 MHz führt. Aber dies ist für die heutige Technologie kein Problem, es handelt sich eher um eine relativ geringe Taktfrequenz verglichen mit den bei heutigen Mikroprozessoren üblichen Taktfrequenzen. In Videokameras wird ein Bild nach dem bekannten Zeilensprungverfahren abgetastet. Dies erfordert, daß der Zeilenselektor 12 entsprechend ausgelegt sein muß. Und zwar muß der Zeilenselektor 12 bei Eintreffen eines Rücksetzsignals jeweils die übernächste Zeile auswählen, wenn die umgewandelten Daten direkt in einen Halbbildspeicher übertragen werden sollen. Zusätzlich muß noch sicher gestellt sein, daß bei Ende eines Halbbildes zu der entsprechend versetzt angeordneten ersten Zeile des nächsten Halbbildes umgeschaltet wird. Dieses Problem ist in dem Stand der Technik aber schon gelöst und entsprechende Schaltungen sind verfügbar. Aber auch progressive Bildabtastung kann mit dem erfindungsgemäßen Bildaufnehmer einfach realisiert werden, wie zuvor erläutert.

Das Taktsignal für das Schieberegister 16 ist in der Regel von dem Taktsignal für die Rampensignalerzeugungseinheit 13 unterschiedlich. Es muß nämlich sichergestellt sein, daß alle zwischengespeicherten Werte innerhalb eines Rampensignalszyklusses auch ausgelesen sind und in den den RAM-Speicher 30 übertragen wurden. Hierfür ist dann ein schnellerer Takt erforderlich. Dies hängt davon ab, wieviel lichtempfindliche Zellen 11 in einer Bildzeile angeordnet sind und mit welcher Auflösung die A/D-Umwandlung vorgenommen wird. Wenn z. B. bei einer 8-Bit-Auflösung mehr als 256 Lichtsensoren in einer Bildzeile vorgesehen sind, muß der Takt für das Schieberegister 16 eine höhere Frequenz aufweisen als der Umsetzungstakt. Wenn z. B. 1024 Lichtsensoren in einer Bildzeile vorhanden sind, müßte der Takt des Schieberegisters 16 bei einer Videokameraanwendung 1024 × 1/64 µs = 16 MHz betragen.

Vielfältige Abwandlungen des hier erläuterten Ausführungsbeispiels sind möglich, die noch im Bereich der Erfindung anzusehen sind.

In dem Ausführungsbeispiel wird jeweils der Momentanwert des Rampensignals in einem Register abgespeichert. Unter dem Begriff Register sollen auch andere Komponenten verstanden werden, die den Momentanwert speichern können. Als Beispiel wird ein parallel laufender Zähler genannt, der durch das Ausgangssignal der lichtempfindlichen Zelle gestoppt wird und so den Momentanwert ebenfalls zwischenspeichert.

Das in Fig. 5 gezeigte Rampensignal hat die Form einer Treppe mit gleich großen Stufen. In einer Weiterbildung der Erfindung kann das Rampensignal eine andere From haben. Z. B. können die Treppenstufen variable Höhen haben. Wenn z. B. eine 8-Bit-Auflösung gewünscht ist, könnten die ersten 127 Stufen mit einer bestimmten ersten Stufenhöhe ausgebildet sein und die restlichen Stufen mit einer anderen Stufenhöhe ausgebildet sein. Wenn die erste Stufenhöhe kleiner ist, als die zweite Stufenhöhe, wird eine Adaption des Umsetzverhaltens an das Verhalten des menschlichen Auges einfach erreicht. Das menschliche Auge spricht nämlich weniger empfindlich auf Helligkeitsänderungen an, wenn eine gewisse Grundhelligkeit überschritten ist. Im unteren Helligkeitsbereich wäre so eine feinere Auflösung erreicht. Es kommen aber auch andere Bereichsaufteilungen in Frage. Denkbar sind aber auch kontinuierliche Variationen der Stufenhöhen, um z. B. ein logarithmisches Umsetzverhalten zu erreichen.

Statt einer zeilenweisen Umsetzung der Analogwerte kann alternativ eine spaltenweise Umsetzung einfach realisiert werden. Hierzu muß dann statt des Zeilenselektors ein entsprechender Spaltenselektor vorgesehen sein und die Ausgänge der Lichtsensoren 11 zeilenweise zusammengefaßt werden.

Mehrere Zeilen oder Spalten könnten weiterhin auch zusammengefaßt ausgewertet werden, falls dies in einer Anwendung erforderlich erscheint. Dann müßten entsprechend mehrere Register in dem Registerblock vorgesehen sein und auch das Schieberegister entsprechend vergrößert sein. Prinzipiell wäre auch eine bildpunktweise Umsetzung der Analogwerte möglich. Hier müßte dann entweder ein sehr schnelles Rampensignal erzeugt werden jeweils für einen Bildpunkt gültig und es bräuchte lediglich ein Register vorgesehen werden, was aber dementsprechend schnell ausgelesen werden müßte und die Ausgänge 19 der lichtempfindlichen Zellen 11 müßten über einen Multiplexer an den Steuereingang des Registers geschaltet werden können. Eine andere Ausführungsform wäre, daß praktisch pro lichtempfindlicher Zelle 11 jeweils separat ein Register vorgesehen ist. Auch das wäre mit CMOS-Technologie machbar. Hier müßte dann eventuell eine Reduzierung der Größe der Bildpunktmatrix akzeptiert werden.

Claims

1. Bildaufnehmer (10) mit einer Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen (11), mit integrierten Mitteln (113, 14, 13) zur Umsetzung des in einem lichtempfindlichen Element (11) gespeicherten Analogwertes in einen Digitalwert, wobei pro lichtempfindlichem Element (11) ein Komparator (113) zugeordnet ist, dem an einem Eingang der Analogwert zugeführt ist und an dem anderen Eingang ein Rampensignal, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Komparators (113) an einen Triggereingang eines N-Bit-breiten Registers (14) geführt ist, wobei N eine natürliche Zahl 2 ist, und daß der Ausgangsimpuls des Komparators (113) das Register (14) zur Zwischenspeicherung des Momentanwertes des Rampensignals in digitaler Form veranlaßt.

2. Bildaufnehmer (10) nach Anspruch 1, wobei die lichtempfindlichen Elemente (11) matrixförmig angeordnet sind und durch entsprechende Selektoren (12) zeilen- oder spaltenweise addressierbar sind, derart, daß die Umsetzung der in den lichtempfindlichen Elementen (11) gespeicherten Analogwerte zeilenweise oder spaltenweise erfolgt, wobei so viele Register (14) parallel angeordnet sind, wie lichtempfindliche Elemente (11) in einer Zeile oder Spalte vorgesehen sind.

3. Bildaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Rampensignal zyklisch neu gestartet wird für die Umsetzung der Analogwerte einer Zeile oder Spalte.

4. Bildaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Rampensignal in Inkrementen stetig ansteigt, von dem Wert Null bis zu einem Maximalwert wobei die Anzahl Inkremente des Rampensignals einem Wert entspricht, der durch die gewünschte Bitauflösung für die A/D-Umsetzung bestimmt wird.

5. Bildaufnehmer nach Anspruch 4, wobei die Signaländerung pro Inkrement des Rampensignals über den ganzen Wertebereich konstant ist.

6. Bildaufnehmer nach Anspruch 4, wobei die Signaländerung pro Inkrement des Rampensignals variabel ist, insbesondere in einem ersten Bereich des Wertebereichs kleiner als in einem zweiten Bereich um eine Adaption des Umsetzverhaltens an das Verhalten des menschlichen Auges zu erreichen.

7. Bildaufnehmer nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei ein Schieberegister (16) vorgesehen ist, in das die Einträge der parallel angeordneten Register (14) nach Beendigung eines Rampensignalzyklusses kopiert werden.

8. Bildaufnehmer nach einem der Ansprüche 1-7, wobei das Rampensignal in einem Zähler (131) mit nachgeschaltetem D/A-Wandler (132) erzeugt wird.

9. Bildaufnehmer nach Anspruch 8, wobei der aktuelle Zählerstand der Zählers (131) an die Eingänge des/der Register (14) geführt ist.

10. Bildaufnehmer nach einem der Ansprüche 2-9, wobei der Bildaufnehmer (10) für die Erzeugung von Videobildern ausgelegt ist, wobei die Umsetzung der in den lichtempfindlichen Elementen (11) gespeicherten Analogwerte zeilenweise erfolgt und der Zyklus des Rampensignals zu der Dauer einer Videozeile korrespondiert.

11. Bildaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Realisierung des Bildaufnehmers (10) die CMOS-Chip-Technologie verwendet wird.